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Werkstoff- und Nanotechnologien leisten einen unverzichtbaren Beitrag bei der

Lösung drängender Zukunftsfragen. Das Bundesministerium für Bildung und

Forschung (BMBF) setzt in seinem Rahmenprogramm „Werkstoffinnovationen für

Industrie und Gesellschaft – WING“ mit seiner umfangreichen Förderung gezielt

Impulse in den Bereichen Klima/Energie, Gesundheit/Ernährung, Mobilität,

Sicherheit und Kommunikation – den zentralen Bedarfsfeldern der

Hightech-Strategie der Bundesregierung. Der Artikel gibt anhand von Beispielen aus der

Förderung einen Einblick in einen Teil des Maßnahmenspektrums.

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Werkstoff- und Nanotechnologien

als Innovationstreiber in den

Leitmärkten der Zukunft

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Forschungsförderung des BMBF in ausgewählten

Bedarfsfeldern

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ingebettet in die Hightech-Strategie der Bundesregierung, werden im Rah-men des WING-Programms des BMBF in den zentralen Bedarfsfeldern innovative Lösun-gen der Werkstoff- und Nanotechnologien mit mittelfristigem marktwirtschaftlichen Umsetzungshorizont gefördert. Das Pro-gramm wird über Bekanntmachungen umge-setzt, indem entweder auf konkrete Innova-tionsfelder fokussiert oder auf spezifische Zielgruppen (insbesondere Klein- und Mitt-lere Unternehmen) orientiert wird. Im Fol-genden wird anhand von Beispielen ein Überblick zu den Förderschwerpunkten Gesundheit, Urbane Technologien, Informa-tion und KommunikaInforma-tion sowie Nachhaltige Produktion gegeben.

Mit Werkstoff- und Nanotechnologien den Leitmarkt Gesundheit stärken

Die deutsche Gesundheitswirtschaft ist eine der wichtigsten Zukunftsbranchen des

Lan-des, ihr Ausbau ist von einem kontinuierli-chen Innovationsschub abhängig. Hierzu gilt es, Schlüssel technologien frühzeitig in der angewandten Forschung zu adressieren und in den Unter nehmen zu etablieren. Ange-sichts langer Entwicklungszeiten ist die tech-nologische Forschung in hohem Maße gefor-dert, sich konsequent am medizinischen Bedarf auszu richten. Insbesondere sind grundlegende Trends in der Gesund heits-forschung wie die Individualisierte Medizin oder die Regenerative Medizin rechtzeitig in technologisch-industrielle Dimensionen um-zusetzen. Werkstoff- und Nanotechnologien kommt hierbei auf zahlreichen Innovations-feldern eine Schlüsselrolle zu.

Seien es intelligente oder bioaktive Implan-tate, seien es Zelllprodukte oder künstlicher Organersatz, Drug-Delivery-Systeme oder die Molekulare Diagnostik – alle diese Inno-vationsfelder profitieren von Lösungsan-sätzen aus den Werkstoff- und Nanotech-nologien. Das BMBF-Programm WING bün-delt die industrielle Forschung auf diesen technologischen Schlüsselfeldern im BMBF-Maßnahmencluster Medi-WING.1

1 Weitere Informationen unter www.Medi-WING.de 2 Weitere Informationen unter www.nanoforlife.de 3 Weitere Informationen unter www.bmbf.de/mobitech

So wurde bzw. wird in den BMBF-Förder-maßnahmen „Nanotechnologien für die Ge-sundheit –NanoForLife 2“ und der

„Technolo-gie-Initiative Molekulare Bildgebung – MoBi-Tech3“ beispielsweise die technologische

Realisation des Magnetic Particle Imaging – ein völlig neuartiges Verfahren für die medizi-nische Bildgebung unter Einsatz maßge-schneiderter Nanopartikel als injizierbare Sonden – in den BMBF-Verbundprojekten „MAGIC“ und „MAPIT“ vorangetrieben.

Klare Bilder mit magnetischen Teilchen vom Feinsten

In den BMBF-Verbundprojekten „MAGIC“ und „MAPIT“ etablieren Industriekonsortien unter Federführung von Philips, Hamburg ein völlig neues Verfahren für die Medizinische Bildgebung.

Magnetic Particle Imaging (MPI) ist ein neues Verfahren für die medizinische Bild-gebung, mit dem sich die lokale Konzen-tration von magnetischen Nanopartikeln (genannt Tracer oder Sonden) quantitativ sowohl mit hoher Empfindlichkeit als auch

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Experimentelles MPI-System für Bildgebung an Mäusen (Foto: Philips, Hamburg).

Demonstrator eines MPI-Systems für die Bildgebung an Kleintieren (Foto: Philips, Hamburg).

4 (Veröffentlichung abrufbar unter http://www.theoryin

stitute.org/Krishnan.pdf)

5 (Veröffentlichung kostenlos abrufbar bei: http://iopsci

ence.iop.org/0031-9155/54/5/L01/media )

mit radioaktiven Materialien nötig sind und kürzere Untersuchungszeiten sich unmittel-bar in einer effektiveren Versorgung nie-derschlagen.

Wie bei der Positronenemissionstomogra-phie (PET) misst MPI nur den injizierten Tracer – es entsteht kein Signal aus dem Körper selbst. Die Methode basiert auf der Magnetisierung der Tracer auf Basis nano-partikulärer Eisenoxid-Partikel durch ein externes sinusförmiges Hochfrequenz-Magnetfeld und dem Auslesen der von den Partikeln generierten Oberwellen. Zentrale Aufgabe der Materialforschung ist es des-halb, maßgeschneiderte Partikel mit opti-maler Signalantwort zu entwickeln. Das Funktionsprinzip von MPI wurde bereits im Tier nachgewiesen. Bei nahezu 50 3D-Bil-dern pro Sekunde lässt sich ein schlagen-des Mäuseherz problemlos abbilden. MPI liefert damit quantitative Information in Echtzeit und eignet sich daher auch als funktionelle Bildgebungsmethode. Simula-tionen4 zeigen, dass MPI ca. 1000 mal

schneller als PET und dabei 100 mal emp-findlicher als die Magnetresonanztomo-graphie (MRT) sein kann. Prinzipiell lassen sich mit MPI sogar einzelne Partikel direkt nachweisen. Damit eignet sich das Ver-fahren exzellent für diverse medizinische Anwendungen bei Herzkreislauf- und-Krebserkrankungen sowie für die interven-tionelle Bildgebung.

mit hervorragender räumlicher Auflösung in Echtzeit darstellen lässt. Diese Vorteile gegenüber etablierten Verfahren lassen ein hohes klinisches Potenzial in vielen Anwen-dungen erwarten: Umfassendere und kür-zere Untersuchungen mit verbesserter Aus-sagekraft unter Verzicht auf Röntgen-strahlung oder radioaktive Materialen stel-len einen unmittelbar spürbaren Fortschritt für den Patienten dar. Auch die Logistik im Krankenhaus wird vereinfacht, da keine aufwändigen Zulassungen für den Umgang

MPI wurde 2001 in der Philips Forschung, Hamburg erfunden und 2005 erstmals publiziert5. Die Förderung durch das

Bundesministerium für Bildung und For-schung (BMBF) hat die Entwicklung eines präklinischen Systems ermöglicht, welches voraussichtlich ab 2012 gemeinsam von den Firmen Philips und Bruker Biospin vermarktet werden wird. In einem Anschluss -projekt – ebenfalls mit BMBF-Förderung – wird ein größeres industriegeführtes Kon-sor tium den Aufbau zweier verschiedener MPI-Ganzkörpersysteme für den klinischen Einsatz und die Kopp lung von MPI mit der Magnetresonztomographie für ein präklini-sches System angehen, während gleichzei-tig an verbesserten Tracer-Materialien ge-forscht wird. In Zukunft kann MPI sich zu einer Methode zur molekularen Bildgebung weiterentwickeln, wobei es von Ergebnissen für die Funktionalisierung von Eisenoxid-Nanopartikeln und ihrer Nutzung zur Markierung von Zellen in der Regenerativen Medizin profitieren dürfte.

Neue Werkstoffe für das urbane Umfeld der Zukunft

Die zunehmende Urbanisierung erfordert die gezielte Forschung an neuen Werkstoffen und Technologien. Vor dem Hintergrund des Primats der Ressourcen- und Energieeffizienz ist es zudem dringend geboten, neue Werk-stoffe und Materialien zu erarbeiten, um Wohn- und Arbeitsgebäude sowie Verkehrs- und andere Infrastrukturbauten effizienter zu gestalten bzw. zu sanieren. Die Themenvielfalt auf dem Zukunftsmarkt „Urbane Technolo-gien“ reicht dabei von der Baudurchführung und Gebäudetechnik über die dezentrale Energieversorgung und die intelligente Ener-gienutzung bis hin zu Verkehrsinfrastrukturen. Gerade bei den Verkehrsinfrastrukturen in Deutschland besteht die Notwendigkeit bau-technischer Instandsetzung, Erneuerung und Erweiterung, wozu neue Baumaterialien erheblich beitragen können. Eine dieser Möglichkeiten ist ultra-hochfester Beton (UHPC). Hierfür wird im

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Experimentelles MPI-System für Bildgebung an Mäusen (Foto: Philips, Hamburg).

Demonstrator eines MPI-Systems für die Bildgebung an Kleintieren (Foto: Philips, Hamburg).

4 (Veröffentlichung abrufbar unter http://www.theoryin

stitute.org/Krishnan.pdf)

5 (Veröffentlichung kostenlos abrufbar bei: http://iopsci

ence.iop.org/0031-9155/54/5/L01/media )

mit radioaktiven Materialien nötig sind und kürzere Untersuchungszeiten sich unmittel-bar in einer effektiveren Versorgung nie-derschlagen.

Wie bei der Positronenemissionstomogra-phie (PET) misst MPI nur den injizierten Tracer – es entsteht kein Signal aus dem Körper selbst. Die Methode basiert auf der Magnetisierung der Tracer auf Basis nano-partikulärer Eisenoxid-Partikel durch ein externes sinusförmiges Hochfrequenz-Magnetfeld und dem Auslesen der von den Partikeln generierten Oberwellen. Zentrale Aufgabe der Materialforschung ist es des-halb, maßgeschneiderte Partikel mit opti-maler Signalantwort zu entwickeln. Das Funktionsprinzip von MPI wurde bereits im Tier nachgewiesen. Bei nahezu 50 3D-Bil-dern pro Sekunde lässt sich ein schlagen-des Mäuseherz problemlos abbilden. MPI liefert damit quantitative Information in Echtzeit und eignet sich daher auch als funktionelle Bildgebungsmethode. Simula-tionen4 zeigen, dass MPI ca. 1000 mal

schneller als PET und dabei 100 mal emp-findlicher als die Magnetresonanztomo-graphie (MRT) sein kann. Prinzipiell lassen sich mit MPI sogar einzelne Partikel direkt nachweisen. Damit eignet sich das Ver-fahren exzellent für diverse medizinische Anwendungen bei Herzkreislauf- und-Krebserkrankungen sowie für die interven-tionelle Bildgebung.

mit hervorragender räumlicher Auflösung in Echtzeit darstellen lässt. Diese Vorteile gegenüber etablierten Verfahren lassen ein hohes klinisches Potenzial in vielen Anwen-dungen erwarten: Umfassendere und kür-zere Untersuchungen mit verbesserter Aus-sagekraft unter Verzicht auf Röntgen-strahlung oder radioaktive Materialen stel-len einen unmittelbar spürbaren Fortschritt für den Patienten dar. Auch die Logistik im Krankenhaus wird vereinfacht, da keine aufwändigen Zulassungen für den Umgang

MPI wurde 2001 in der Philips Forschung, Hamburg erfunden und 2005 erstmals publiziert5. Die Förderung durch das

Bundesministerium für Bildung und For-schung (BMBF) hat die Entwicklung eines präklinischen Systems ermöglicht, welches voraussichtlich ab 2012 gemeinsam von den Firmen Philips und Bruker Biospin vermarktet werden wird. In einem Anschluss -projekt – ebenfalls mit BMBF-Förderung – wird ein größeres industriegeführtes Kon-sor tium den Aufbau zweier verschiedener MPI-Ganzkörpersysteme für den klinischen Einsatz und die Kopp lung von MPI mit der Magnetresonztomographie für ein präklini-sches System angehen, während gleichzei-tig an verbesserten Tracer-Materialien ge-forscht wird. In Zukunft kann MPI sich zu einer Methode zur molekularen Bildgebung weiterentwickeln, wobei es von Ergebnissen für die Funktionalisierung von Eisenoxid-Nanopartikeln und ihrer Nutzung zur Markierung von Zellen in der Regenerativen Medizin profitieren dürfte.

Neue Werkstoffe für das urbane Umfeld der Zukunft

Die zunehmende Urbanisierung erfordert die gezielte Forschung an neuen Werkstoffen und Technologien. Vor dem Hintergrund des Primats der Ressourcen- und Energieeffizienz ist es zudem dringend geboten, neue Werk-stoffe und Materialien zu erarbeiten, um Wohn- und Arbeitsgebäude sowie Verkehrs- und andere Infrastrukturbauten effizienter zu gestalten bzw. zu sanieren. Die Themenvielfalt auf dem Zukunftsmarkt „Urbane Technolo-gien“ reicht dabei von der Baudurchführung und Gebäudetechnik über die dezentrale Energieversorgung und die intelligente Ener-gienutzung bis hin zu Verkehrsinfrastrukturen. Gerade bei den Verkehrsinfrastrukturen in Deutschland besteht die Notwendigkeit bau-technischer Instandsetzung, Erneuerung und Erweiterung, wozu neue Baumaterialien erheblich beitragen können. Eine dieser Möglichkeiten ist ultra-hochfester Beton (UHPC). Hierfür wird im

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BMBF-Rahmen-�

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Griffigkeit, Nassgriff, Entwässerung und Wasserverdrängung sollen mittels einer geometrisch definierten, reproduzierbaren und dauerhaften Oberflächentexturierung erreicht werden. Unter Einsatz nanotechno-logischer Methoden und nanoskaliger Materialien sollen die angestrebten Eigen-schaften in einem industrierelevanten Pro-zess erzielt werden. Es sind Forschungsar-beiten erforderlich zur stofflichen und pro-duktionstechnischen Anpassung des Aus-gangsmaterials an die besonderen Belange des Straßenbaus und zur Ausarbeitung eines geeigneten Texturierungsverfahrens. Weitere Arbeiten betreffen die Verminde-rung des Rohstoff- und Energieverbrauchs sowie die Emissionsbelastung bei Bau und Betrieb der zu entwickelnden Betonfahr-bahn.

Im Erfolgsfall steht im Ergebnis des Projekts ein innovatives, praxistaugliches Bauverfahren für dauerhafte, lärmarme und luftschadstoffreduzierende Betonfahrbah-nen mit reproduzierbaren Eigenschaften zur Verfügung. Durch eine damit verfügba-re bau- und umwelttechnisch leistungsfähi-ge Bauweise und länleistungsfähi-gere Nutzungszeiten können die Investitionen für den Baulast-träger deutlich reduziert werden.

Neue Materialien für die Infor-mations- und Kommunikations-technologien der nächsten Generation

Als maßgebliche Innovationstreiber moder-ner Informations- und Kommunikations-technologien werden von den meisten Menschen Elektronik und Informatik

angese-hen. Das ist auch richtig, aber nur ein Teil der Wahrheit. Einen wenigstens ebenso großen Anteil am Aufstieg dieser Technologien hat die Materialwissenschaft.

Keine Anwendung zuvor hat derart hohe Anforderungen an das Material gestellt und war so abhängig davon. Wäre es den Wissenschaftlern zum Beispiel nicht gelun-gen, zuverlässige Gate-Oxide für Transistoren herzustellen, wäre die Miniaturisierung auch bei aller Anstrengung der Schaltungstechnik nicht vorangekommen. Damit wären sehr speicher- und rechenintensive Anwendungen, die für heutige PCs völlig normal sind, zum Beispiel das Schneiden und Bearbeiten von Urlaubsfilmen am Rechner, nur auf wenigen Spezialcomputern möglich, die vom Platz- und Kostenaufwand weit außerhalb der Möglichkeiten des Normalverbrauchers lägen. Auch das Silizium selbst, auf dessen Grundlage unsere heutige Computerindustrie – aber auch die Photovoltaik – basiert, ist in seiner nutzbaren Form äußerst anspruchs-voll hinsichtlich der Herstellung. Ein Siliziumeinkristall ist in Reinheiten herstell-bar, die bei keinem anderen Material ent-sprechender Größe erzeugt werden können, und damit in unserem Sonnensystem einzig-artig.

Die moderne Informations- und Kommunika-tionstechnologie ist also ganz wesentlich von den physikalischen Eigenschaften der ver-wendeten Materialien abhängig sowie der Möglichkeit, diese in kleinsten Größenskalen zu bearbeiten und herzustellen. Materialien spielen in allen Feldern der Elektronik eine zentrale Rolle, so dass Mobiltelefone, Computer, Flachbildfernseher und praktisch

Herkömmlicher Einbau einer Betonfahrbahn mit Gleitschalungsfertiger (Foto: Eurovia

Beton GmbH). Detailansicht des Gleitschalungsfertigers (Foto: VDI Technologiezentrum GmbH). programm WING innerhalb der

Förder-maßnahme „Nanotechnologie im Bauwesen – NanoTecture“ das Verbundprojekt „Multi-funktionale Fahrbahn aus nanooptimiertem Ultra-Hochleistungsbeton“ gefördert, das sich die Erforschung neuartiger Baustoffe und Bauweisen für Betonfahrbahnen zum Ziel gesetzt hat.

Mehr Funktion auf die Straße bringen

BMBF-Verbundprojekt „FAHRBAHN“ unter Federführung der Fa. Müller-BBM GmbH erforscht und demonstriert innovative Ansätze zu einer multifunktionalen Beton-Fahrbahn.

In dem dreijährigen BMBF-Verbundprojekt werden Verfahren für eine hoch tragfähige, lärmarme, ressourcensparende und dauer-hafte Betonfahrbahn erarbeitet. Hierfür soll dieser neuartige Baustoff erstmals im Straßenbau eingesetzt werden. Das Kon-sortium setzt sich aus neun Partnern aus Mittelstand und Großindustrie, aus der universitären Forschung und einer öffentli-chen Forschungseinrichtung zusammen. Die beteiligten Partner verfügen über lang-jährige Erfahrung auf dem Gebiet des Ultra-Hochleistungsbetons, der Rollgeräusch-entstehung, der Entwicklung innovativer Bauverfahren und der Baubetreuung für Sonderbauweisen im Straßenbau. Damit steht das Konsortium für eine kompetente Abwicklung in allen Phasen des Projekts. Die Lärmminderung durch Reduktion der Reifen-Fahrbahn-Geräusche und die sicher-heitsrelevanten Oberflächeneigenschaften

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Griffigkeit, Nassgriff, Entwässerung und Wasserverdrängung sollen mittels einer geometrisch definierten, reproduzierbaren und dauerhaften Oberflächentexturierung erreicht werden. Unter Einsatz nanotechno-logischer Methoden und nanoskaliger Materialien sollen die angestrebten Eigen-schaften in einem industrierelevanten Pro-zess erzielt werden. Es sind Forschungsar-beiten erforderlich zur stofflichen und pro-duktionstechnischen Anpassung des Aus-gangsmaterials an die besonderen Belange des Straßenbaus und zur Ausarbeitung eines geeigneten Texturierungsverfahrens. Weitere Arbeiten betreffen die Verminde-rung des Rohstoff- und Energieverbrauchs sowie die Emissionsbelastung bei Bau und Betrieb der zu entwickelnden Betonfahr-bahn.

Im Erfolgsfall steht im Ergebnis des Projekts ein innovatives, praxistaugliches Bauverfahren für dauerhafte, lärmarme und luftschadstoffreduzierende Betonfahrbah-nen mit reproduzierbaren Eigenschaften zur Verfügung. Durch eine damit verfügba-re bau- und umwelttechnisch leistungsfähi-ge Bauweise und länleistungsfähi-gere Nutzungszeiten können die Investitionen für den Baulast-träger deutlich reduziert werden.

Neue Materialien für die Infor-mations- und Kommunikations-technologien der nächsten Generation

Als maßgebliche Innovationstreiber moder-ner Informations- und Kommunikations-technologien werden von den meisten Menschen Elektronik und Informatik

angese-hen. Das ist auch richtig, aber nur ein Teil der Wahrheit. Einen wenigstens ebenso großen Anteil am Aufstieg dieser Technologien hat die Materialwissenschaft.

Keine Anwendung zuvor hat derart hohe Anforderungen an das Material gestellt und war so abhängig davon. Wäre es den Wissenschaftlern zum Beispiel nicht gelun-gen, zuverlässige Gate-Oxide für Transistoren herzustellen, wäre die Miniaturisierung auch bei aller Anstrengung der Schaltungstechnik nicht vorangekommen. Damit wären sehr speicher- und rechenintensive Anwendungen, die für heutige PCs völlig normal sind, zum Beispiel das Schneiden und Bearbeiten von Urlaubsfilmen am Rechner, nur auf wenigen Spezialcomputern möglich, die vom Platz- und Kostenaufwand weit außerhalb der Möglichkeiten des Normalverbrauchers lägen. Auch das Silizium selbst, auf dessen Grundlage unsere heutige Computerindustrie – aber auch die Photovoltaik – basiert, ist in seiner nutzbaren Form äußerst anspruchs-voll hinsichtlich der Herstellung. Ein Siliziumeinkristall ist in Reinheiten herstell-bar, die bei keinem anderen Material ent-sprechender Größe erzeugt werden können, und damit in unserem Sonnensystem einzig-artig.

Die moderne Informations- und Kommunika-tionstechnologie ist also ganz wesentlich von den physikalischen Eigenschaften der ver-wendeten Materialien abhängig sowie der Möglichkeit, diese in kleinsten Größenskalen zu bearbeiten und herzustellen. Materialien spielen in allen Feldern der Elektronik eine zentrale Rolle, so dass Mobiltelefone, Computer, Flachbildfernseher und praktisch

Herkömmlicher Einbau einer Betonfahrbahn mit Gleitschalungsfertiger (Foto: Eurovia

Beton GmbH). Detailansicht des Gleitschalungsfertigers (Foto: VDI Technologiezentrum GmbH). programm WING innerhalb der

Förder-maßnahme „Nanotechnologie im Bauwesen – NanoTecture“ das Verbundprojekt „Multi-funktionale Fahrbahn aus nanooptimiertem Ultra-Hochleistungsbeton“ gefördert, das sich die Erforschung neuartiger Baustoffe und Bauweisen für Betonfahrbahnen zum Ziel gesetzt hat.

Mehr Funktion auf die Straße bringen

BMBF-Verbundprojekt „FAHRBAHN“ unter Federführung der Fa. Müller-BBM GmbH erforscht und demonstriert innovative Ansätze zu einer multifunktionalen Beton-Fahrbahn.

In dem dreijährigen BMBF-Verbundprojekt werden Verfahren für eine hoch tragfähige, lärmarme, ressourcensparende und dauer-hafte Betonfahrbahn erarbeitet. Hierfür soll dieser neuartige Baustoff erstmals im Straßenbau eingesetzt werden. Das Kon-sortium setzt sich aus neun Partnern aus Mittelstand und Großindustrie, aus der universitären Forschung und einer öffentli-chen Forschungseinrichtung zusammen. Die beteiligten Partner verfügen über lang-jährige Erfahrung auf dem Gebiet des Ultra-Hochleistungsbetons, der Rollgeräusch-entstehung, der Entwicklung innovativer Bauverfahren und der Baubetreuung für Sonderbauweisen im Straßenbau. Damit steht das Konsortium für eine kompetente Abwicklung in allen Phasen des Projekts. Die Lärmminderung durch Reduktion der Reifen-Fahrbahn-Geräusche und die sicher-heitsrelevanten Oberflächeneigenschaften

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jede andere Anwendung elektronischer Systeme von Fortschritten in der Forschung auf diesem Gebiet profitieren. Auch für zukünftige Trends im Bereich der Informa-tions- und Kommunikationstechnologien, wie z. B. der organischen Elektronik oder Post-CMOS-Technologien, bleiben neue Materia-lien ein zentraler Forschungsschwerpunkt, den es im Bereich des BMBF-Rahmenpro-gramms WING zu adressieren gilt. Beispiels-weise so, wie dies im Fall des BMBF-Verbundprojekts „INNOTRANS“ geschieht, in dem durch Verheiratung zweier innovativer Technologien die optische Datenübertragung zu neuen Höhenflügen ansetzt.

Die optische Datenautobahn wird breiter

Ein Konsortium unter Federführung der Fa. Innolume GmbH geht die Integration photo-nischer und elektrophoto-nischer Funktionalität in einem Bauteil an.

Die Integration photonischer und elektroni-scher Funktionalität in einem Bauteil ist eine der größten Herausforderungen der Informations- und Kommunikationstech-nologie, um den ständig wachsenden An-forderungen der Datenprozessierung und -übertragung unserer Gesellschaft zu be-gegnen. Die Silizium-Nanophotonik offen-bart das Potential, dieses Ziel durch die Einführung der kostengünstigen und mas-senfabrikationstauglichen CMOS-Her-stellungstechnologie in die optische Do-mäne zu erreichen.

An dieser Stelle beginnt die Arbeit des durch das BMBF geförderten

Verbund-projekts „INNOTRANS“. Es besteht aus drei Teilvorhaben. Die Innolume GmbH hat Expertise im Bereich der Quantenpunktlaser und fertigt im Projekt einen sog. Kammlaser, dessen Lichtspektrum aus vielen diskreten Lichtfrequenzen (Farben) besteht, die jeweils einen eigenen Übertragungskanal darstellen. Wichtig ist hierbei, einen geeig-neten Frequenzbereich zu treffen, der üblichen Kommunikationsstandards ent-spricht, sowie den Kanalabstand ausrei-chend groß zu wählen und das Signal-Rausch-Verhältnis möglichst groß zu hal-ten.

Der zweite Teil des Projekts, ein Silizium-Nanophotonik-Chip, der elektrische Signale (die zu übertragenden Nutzdaten) den opti-schen Kanälen des Frequenzkammlasers aufprägen soll, wird in den Teilprojekten der AMO GmbH sowie dem Institut für Halbleitertechnik der RWTH Aachen

desi-gnt, gebaut und charakterisiert. Auf diesem Chip sind als Modulatoren sog. Ringresona-toren enthalten, die jeweils resonant mit einem Übertragungskanal des Kammlasers sind, so dass jeder Resonator genau einen optischen Kanal mit Daten beschreibt. Die Innovation liegt darüber hinaus speziell in der Kombination des Frequenzkammlasers mit den elektrooptischen Modulatoren zu einem Transmitter-Gesamtsystem für Wavelength-Division-Multiplexing Optical Interconnects, d. h. optische Datenübertra-gung auf mehreren Lichtfrequenzen paral-lel und gleichzeitig in einer Faser. Die Zielspezifikation für diesen Transmitter ist eine fehlerfreie Übertragung von 100 Gbit/s Datenrate bei einer Zentralwellen-länge um 1310 nm (das sog. O-Band), ver-teilt auf 20 Kanäle mit je 5 Gbit/s. Mit diesen Spezifikationen ist der Trans-mitter vor allem für kurzreichweitige Mobile Mischanlage zur Betonherstellung (Foto: VDI Technologiezentrum GmbH). Vorbereiteter Unterbau für eine Betonfahrbahn (Foto: VDI Technologiezentrum

GmbH).

Kammlaser im Butterfly-Gehäuse (Quelle: Innolume GmbH, Dortmund).

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Datenkommunikation geeignet, wie z. B. optische Interconnects zwischen einzelnen Prozessoren und Peripherie (sog. Chip-to-Chip-Verbindungen) oder zwischen einzel-nen Servern in einem Rechencluster (sog. Server-to-Server-Verbindungen). Die De-monstration der Machbarkeit für diese spe-zifische Anwendung ist daher ebenfalls Ziel des Projektes. Darüber hinaus soll die Implementierung in Bezug auf Funktio-nalität, Geschwindigkeit und Leistungsver-brauch, aber auch in Bezug auf Herstellungs-kosten und Rentabilität in den genannten Applikationen evaluiert werden.

Nachdem die Projekthalbzeit bereits er-reicht wurde, lassen sich erste Ergebnisse sehen, die sehr vielversprechend sind. Die dynamische Anpassung der Resonatoren an die Laserfrequenzen funktioniert und das Laserspektrum liegt im vorgegebenen Frequenzbereich. Bis zum Ende der Pro-jektlaufzeit gilt es, die zwei Technologien zu verheiraten sowie die angestrebte Daten-rate zu erreichen.

Neue Werkstoffe und Nanotechnologien für die Nachhaltige Produktion

Im Bereich der Werkstofftechnologien wird weltweit an neuartigen Funktionswerkstoffen geforscht, welche völlig neue Konzepte in unterschiedlichen Bedarfsfeldern (z. B. Klimaschutz, Mobilität, Gesundheit, Energie, Information- und Kommunikation, etc.) er-möglichen. Die Nanotechnologie kann hier völlig neue Möglichkeiten in Bezug auf die Eigenschaften neuer Werkstoffe bereitstel-len. So erobern Produkte mit nanotechnolo-gischen Komponenten in wachsender Zahl den Markt. Zu nennen sind hier beispielswei-se kratzfeste bzw. schmutzabweibeispielswei-sende Be-schichtungen, organische Solarzellen bzw. Elektronik.

Neben dem Werkstoff ist die Prozesskette zur Rohstoffherstellung und Bauteilfertigung von zentraler Bedeutung, um letztendlich ein Produkt erfolgreich an den Markt zubringen. Zudem gewinnen Aspekte der Nachhaltigkeit für Produktionsprozesse und Materialaus-wahl einen immer größeren Stellenwert. In den Fokus des BMBF-Rahmenprogramms WING rücken daher verstärkt neue Werk-stoffe und Prozesse, die die Entwicklung

biobasierter Produkte und die stärkere Nutzung nachwachsender Rohstoffe insbe-sondere für die Herstellung von Polymeren adressieren. Einen weiteren Fokus bilden innovative Ansätze für die produktionstaugli-che Prozessierung von Materialien in den o. g. Bedarfsfeldern. So wird beispielsweise im Rahmen des laufenden BMBF-Verbund-projekts „SPINEL“ ein neues Verfahren untersucht, um Materialien für Hochleistungs-solarzellen später kostengünstig herzustel-len zu können.

Mehr Energie aus jeder Zelle

Im BMBF-Verbundprojekt „SPINEL“ steigern Wacker Chemie AG und Siltronic AG die Energieeffizienz und -ausbeute von Photo-voltaikanwendungen.

2010 hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Jahr der Zukunft der Energie ausgerufen. Nicht ohne Grund, denn immer knapper werden-de Ressourcen, die fortschreitenwerden-de Klima-problematik und nicht zuletzt der stetig steigende weltweite Energiebedarf stellen die Menschheit vor gewaltige Heraus-forderungen. Die Photovoltaik ist einer der vielversprechendsten Lösungsansätze, dementsprechend arbeitet die Industrie mit Hochdruck daran, günstigere und gleichzei-tig effizientere Solarzellen herzustellen.

Die besten kommerziell erhältlichen Solar-zellen weisen aktuell einen Wirkungsgrad von knapp über 20 Prozent auf. Allerdings sind dafür als Substratmaterial Silizium-wafer mit einer sehr hohen Lebensdauer der Minoritätsladungsträger (>100 μs) not-wendig, die auch im langjährigen Betrieb möglichst stabil bleiben sollten. Momentan ist dies nur erreichbar, wenn hochreines und versetzungsfreies Silizium verwendet wird.

Bislang werden Siliziumwafer für die Hoch-leistungsphotovoltaik aus Einkristallen gefertigt, die mit dem Tiegelziehverfahren (Czochralski-Prozess) hergestellt wurden. Dabei ist aber der hohe Sauerstoffgehalt nachteilig, der zu einer Degradation des Zellwirkungsgrads durch Bor-Sauerstoff-Komplexe führt. Nach dem Zonenzieh- (Floating Zone, FZ) Verfahren hergestellte Kristalle weisen zwar die gewünschten Eigenschaften auf, die Herstellungskosten dieser Kristalle sind für Massenanwen-dungen in der Solarindustrie jedoch viel zu hoch.

Hier setzt das durch das BMBF geförderte Verbundprojekt „SPINEL“ an. Es besteht aus zwei Teilvorhaben: Im ersten Teil ent-wickelt die Siltronic AG ein kontinuierli-ches, tiegelfreies Einkristallziehverfahren. Es kann, ähnlich wie das FZ-Verfahren,

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ohne Tiegel betrieben werden, verwendet aber anstatt des teuren, stangenförmigen Polysiliziums günstigeres Granulatsilizium. Dadurch können die Herstellungskosten so stark gesenkt werden, dass dieses Material auch für die Solarindustrie interessant wird. Die Vorteile bestehen aber nicht nur in der Reduzierung der Kosten pro Peak-Watt (Wp), sondern auch in dem niedrige-ren Flächenbedarf pro installiertem Wp. Für diesen neuartigen Ziehprozess ist aller-dings granulares Polysilizium notwendig, das sich durch einen drastisch reduzierten Verunreinigungspegel und einen sehr nied-rigen Staubgehalt auszeichnet. Deshalb übernimmt die Wacker Chemie AG im zwei-ten Teil des Verbundprojekts die Weiterent-wicklung ihres Prozesses zur Herstellung von granularem Polysilizium, um die Pro-dukteigenschaften auf die neue Anwendung anzupassen.

Um das granulare Polysilizium in der gefor-derten Qualität zu liefern, hat WACKER zuerst die nötigen Analysemethoden ent-wickelt bzw. verbessert. Anschließend wur-den die für die Kontamination relevanten Quellen identifiziert; die Reduktion des Eintrags mittels Anlagen- und Prozess-änderungen ist in der Umsetzung begriffen. Zur Absenkung des Staubgehalts wird eine neue Entstaubungsmethode entwickelt und ins Gesamtverfahren integriert. In beiden Fällen erfolgt eine Ergebniskontrolle in den Kristallziehversuchen. Die Streuung des Mitarbeiter mit Silizium-Einkristall (Foto: Siltronic AG).

Metallpegels im Granulat soll durch Pro-zessstabilisierung reduziert und die Aus-wirkung auf die Materialeigenschaften der Kristalle untersucht werden.

Die ersten Ergebnisse sind vielverspre-chend. 100 mm-Material der Orientierung <100>, das mit dem neuen Ziehverfahren gezogen wurde, wird am Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg auf den Zellwirkungsgrad getestet. Erste Ergebnisse zeigen, dass sich mit dem neuen Verfahren Solarzellenwirkungsgrade erzielen lassen, die vergleichbar mit Solar-zellen aus klassischem FZ-Material sind. Nun steht die Erhöhung des Kristalldurch-messers bis auf den geforderten Durch-messer von 150 mm an.

Dr. Oliver Bujok Dr. Ralf Fellenberg Dr. Gunther Hasse Dr.-Ing. Joachim P. Kloock VDI Technologiezentrum GmbH – Projektträger des BMBF – VDI-Platz 1 40468 Düsseldorf Telefon: 0211 6214-476 E-Mail: bujok@vdi.de Internet: http://www.bmbf.de/de/3780.php http://www.medi-wing.de KONTAKT :

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